Reklama

Сила поверхностного натяжения

Молекула М1, которая расположена на поверхности жидкости (рис. 10.3), взаимодействует не только с молекулами, находящимися внутри жидкости, но и с молекулами на поверхности жидкости, расположенными в пределах сферы молекулярного действия. Для молекулы М1 равнодействующая R молекулярных сил, направленных вдоль поверхности жидкости, равна нулю, а для молекулы М2, расположенной у края поверхности, R отлична от нуля. Из рис. 10.3 видно, что сила R направлена по нормали к границе свободной поверхности и по касательной к самой поверхности.

IMG_20140519_0x003_cr

Молекулярные силы, направленные вдоль поверхности жидкости, действуют на любую замкнутую линию на свободной поверхности жидкости по нормали к этой линии таким образом, что стремятся сократить площадь поверхности жидкости, ограниченную замкнутой линией. Это можно показать на следующем опыте.

На проволочном кольце укрепляется нитка длиной L (рис.10.4, а). Если затянуть кольцо мыльной пленкой, то нитка свободно расположится на этой пленке, так как молекулярные силы будут стремиться сократить площадь поверхности, ограниченную как верхним замкнутым контуром, так и нижним. Прорвем мыльную пленку с нижней стороны нитки. Тогда молекулярные силы сократят поверхность, ограниченную верхним контуром, и натянут нитку (рис. 10.4, б).

Сила FH обусловленная взаимодействием молекул жидкости, вызывающая сокращение площади ее свободной поверхности и направленная по касательной к этой поверхности, называется силой поверхностного натяжения.

Покажем, что сила поверхностного натяжения FH, действующая на поперечину (рис. 10.2, а), пропорциональна L. Работа, совершаемая силами поверхностного натяжения при перемещении поперечины L из положения 1 в положение 2, выражается формулой(10.2): A=σ∆S. При этом суммарное сокращение площади ∆S свободной поверхности жидкости равно 2hl, поэтому А = σ2hl.

С другой стороны, работу А можно найти, умножив силу на путь. Поскольку в пашем примере у поверхности пленки две линии соприкосновения с поперечиной (рис. 10.2, б), то общая сила равна 2FH и А=2FHh. Таким образом, 2FHh =σ2hl, или

IMG_20140519_000cc3_cr

Из (10.3а) следует, что поверхностное натяжение о численно равно силе поверхностного натяжения, действующей на единицу длины границы свободной поверхности жидкости.

Вспомним, что единицей о служит 1 Дж/м2, но

IMG_201cc40519_0003_cr

что можно получить и непосредственно из формулы (10.3а).

Теперь легко понять, почему жидкость принимает форму, при которой площадь ее свободной поверхности оказывается наименьшей: силы молекулярного давления втягивают молекулы с поверхности внутрь жидкости, а силы поверхностного натяжения сокращают площадь свободной поверхности, т. е. закрывают образовавшиеся «окна» на этой поверхности.

Итак, поверхностный слой жидкости всегда находится в состоянии натяжения. Однако это состояние нельзя сравнивать с натяжением упругой растянутой пленки. Упругие силы возрастают по мере увеличения площади растянутой пленки, а силы поверхностного натяжения от площади поверхности жидкости не зависят. Сила FH в положениях 1 и 2 на рис. 10.2 одинакова, поскольку число молекул на единице площади свободной поверхности жидкости при любой величине площади остается одинаковым.

IMG_20140519_0003_cr

Опыт показал, что на величину, а влияет среда, находящаяся над поверхностью жидкости, и температура жидкости. При повышении температуры жидкости ее поверхностное натяжение уменьшается (объясните, почему) и при критической температуре становится равным нулю (рис. 10.5). Это лишний раз показывает, что при критическом состоянии исчезает всякое различие между жидкостью и ее паром.

IMGыыы_20140519_0004_cr

Reklama